基于磁流變液的醫療膠囊機器人結構設計

王百一 楊程理 郭志康 胡夢雅 劉新華通訊作者

中國礦業大學 江蘇 徐州221116

1 引言

當前的醫療膠囊機器人多采用包含永磁體或者線圈的硬質殼體,在服用過程中對人體胃腸道表面組織的侵害性較大。另外,部分軟體醫療膠囊機器人體積較大,當被吞服或者在胃腸道內運動時存在不便[1]。膠囊機器人采用磁流變液以及水凝膠薄膜作為材料的軟質殼體,不僅具有良好的磁性,同時對人體內胃腸道組織傷害較小。通過永磁體和磁流變液的組合磁控系統實現醫療膠囊機器人的精確運動,并通過攝影機,無線發射模塊等人機交互措施有效實現胃腸道的診療。因此,磁流變液軟體醫療膠囊機器人的研究對未來的醫療科學等方面具有十分重要的意義。

2 結構方案

2.1 結構要求 傳統醫療膠囊機器人自主性差,只能依靠胃腸道蠕動進行被動式的運動,使得胃腸道的檢測和診斷充滿隨機性。另外,目前的醫療膠囊機器人多采用硬質殼體,缺少柔順可變性能力,與胃腸道接觸時易造成表面組織損傷。本文中設計一種磁流變軟體醫療膠囊機器人,具有柔順的軟質殼體和多功能模塊集成結構,為實際醫療應用提供參考。

2.2 結構設計 在磁驅動方面,將磁流變液與永磁體等技術相結合,建立柔性磁控系統。區別于傳統硬質材料,磁流變液是直徑為微米級或者納米級的鐵磁顆粒(一般為羰基鐵顆粒)沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液。在外加磁場作用下,磁流變液表現出非牛頓流體的特性,可在毫秒級時間內從自由流動的液體轉變為半固體甚至固體,呈現出強烈的可控流變特性[2]。利用磁流變液的可控流變特性和永磁體的固有磁場耦合,實現膠囊機器人的柔性表面。

磁流變液與水凝膠材料結合使用,建立軟體表面翻轉模型。磁流變液懸浮液中的磁性顆粒在梯度磁場中以鏈化形態表現,具有非均勻特征。通過磁性顆粒強化機器人內部磁場,保證膠囊機器人具有足夠的磁驅動力并具有良好的柔性變形能力,在胃腸道內實現連續平穩的翻轉運動。

圖1 膠囊機器人結構

設計膠囊機器人的機械、電路機構。磁流變液膠囊機器人結構示意如圖1所示。離在70-80 mm 時,永磁體間的軸向磁力應遠大于機器人運動操作時的軸向磁力,使藥腔磁體壓縮,達到臨界壓力值使腔內液體藥物排出。

基于上述設計實現對胃腸道疾病的診斷,病灶位置的精確掌握,進而精確排藥,達到最佳的治療效果。

3 運動機理

磁感線將發生變化從而驅動膠囊機器人在磁力的作用下進行旋轉運動,實現對膠囊機器人轉向上的控制[4]。

如圖2所示,我們使用Max well軟件進行運動仿真:圖(a)中,為理想情況下永磁體和膠囊機器人之間磁感線的耦合關系。圖(b)中,我們對膠囊機器人和永磁體進行真實尺寸的仿真,捕捉某一時刻下兩者之間磁感線分布。通過放大圖可以看出,磁感線與圖(a)基本吻合。

在圖(c)中,我們對永磁體進行一周的旋轉運動,得到永磁體和膠囊機器人之間的角度變化關系。通過仿真分析發現,仿真數據擬合曲線與理想數據曲線有微小誤差,基本吻合。因此,通過這種方法可以使軟體醫療膠囊機器人進行穩定、連續和可控的旋轉運動。

圖2 軟體醫療膠囊機器人運動機理仿真

4 結束語

本文提出了一種基于磁流變液的醫療軟體膠囊機器人結構,并進行了永磁體和膠囊機器人磁感線耦合關系的運動仿真,從而進一步驗證了膠囊機器人運動的可行性。該軟體膠囊機器人具有殼體柔軟,控制性高等優點,能夠實現胃腸道疾病的檢測和預防,以及藥物精準投放等功能。因此,能夠安全、高效地對胃腸道疾病進行無創診療,避免了傳統胃腸道疾病診斷過程中痛苦大、治療效果差的缺點。